本文最初发表于 Knowable Magazine.
从南美洲色彩鲜艳的箭毒蛙到外形酷似史前生物的美国西部蝾螈，世界充满了美丽而致命的两栖动物。蝾螈的河豚毒素只需几毫克就可能致命，而有些青蛙产生的毒素是自然界中最强的。
近年来，科学家们对研究有毒两栖动物的兴趣日益浓厚，并开始揭开它们身上的神秘面纱。例如，这些动物是如何做到在毒死潜在捕食者的同时，又不毒死自己的呢？而那些通过摄入毒素来使自己有毒的动物，又是如何将这些毒素从胃部转移到皮肤的呢？
甚至毒素的来源有时也不甚明朗。虽然有些两栖动物从食物中获取毒素，许多有毒生物则依靠生活在皮肤上的共生细菌来获取毒素，但还有一些两栖动物可能自己合成毒素，也可能不合成——这使得科学家们不得不重新思考一些经典的假说。
致命的防御
在漫长的进化历程中，动物们常常将 毒药作为一种防御手段。与毒液不同——毒液通过毒牙、刺、棘或其他专门的结构注入，用于攻击或防御——毒药通常是生物体制造的防御性毒素，必须被摄入或吸收后才能起作用。
两栖动物倾向于将它们的毒素储存在皮肤内或皮肤上，这可能增加了在被潜在捕食者吃掉或受到严重伤害之前，就能阻止或制服捕食者的可能性。它们许多最强大的毒素——如河豚毒素、箭毒蛙碱和最初在蟾蜍中发现的蟾毒灵——都是干扰细胞内蛋白质的毒药，或模仿关键信号分子，从而扰乱正常功能。
这使得它们成为对付各种捕食者的有效威慑，但这也带来了一个问题：有毒的动物也拥有那些易受影响的蛋白质——那么为什么它们自己不会中毒呢？
进化生物学家丽贝卡·塔尔文（Rebecca Tarvin）在德克萨斯大学奥斯汀分校读研究生时，就着手研究这个问题。塔尔文选择研究箭毒蛙碱，这是已知一千多种箭毒蛙化合物中最强的毒素之一。它存在于像安东尼箭毒蛙（Epipedobates anthonyi）这样的青蛙体内，这是一种小型、红润的生物，身上有浅绿白色的斑点和条纹。箭毒蛙碱会结合并激活一个名为乙酰胆碱的神经信号分子的受体。这种不当的激活会导致癫痫发作、瘫痪，并最终导致死亡。
塔尔文的假说是，青蛙和其他一些有毒动物一样，已经进化出了对毒素的抵抗力。她和她的同事们 识别了三组箭毒蛙中乙酰胆碱受体基因的突变，然后在青蛙卵中比较了有突变和无突变的受体活性。他们发现，这些突变略微改变了受体的形状，使得箭毒蛙碱结合的效率降低，并限制了其神经毒性作用。
这解决了第一个问题，但又带来了另一个问题：这些突变也会阻止乙酰胆碱本身有效结合，从而扰乱正常的神经系统功能。塔尔文发现，为了解决第二个问题，这三组青蛙的受体蛋白中又发生了另一种突变，再次改变了受体的形状，使得乙酰胆碱能够结合，但仍然排斥箭毒蛙碱。“这是一系列非常微小的调整，”塔尔文说，这使得受体对箭毒蛙碱的敏感性降低，同时仍允许乙酰胆碱执行其正常的神经功能。
塔尔文目前在加州大学伯克利分校工作，她正利用一种更易于实验的生物——果蝇——来研究动物如何进化以适应毒素。为此，她和她的同事们 给两组不同尼古丁代谢能力的果蝇喂食含有有毒尼古丁的食物。
当研究人员让果蝇幼虫面临捕食者——寄生蜂（会将卵产在果蝇体内）时，两组果蝇都受到了它们所食用的尼古丁的保护，尼古丁杀死了部分寄生虫。但只有代谢速度更快的果蝇从有毒饮食中受益，因为代谢速度较慢的果蝇本身受到尼古丁中毒的伤害更大。
塔尔文和她的学生们目前正在进行一项实验，试图通过让多代果蝇暴露于尼古丁和黄蜂，然后繁殖存活下来的果蝇，来诱导它们进化出像青蛙蛋白质中发现的那样的适应性。
捕获毒素
有毒动物不仅要能承受自身的毒素；其中许多还需要一种方法，能在体内安全地将毒素输送到需要保护的地方。例如，箭毒蛙——它们从食物中的某些蚂蚁和螨虫中获取毒素——必须将毒素从肠道运送到皮肤腺体。
斯坦福大学生物学博士生奥罗拉·阿尔瓦雷斯-布伊利亚（Aurora Alvarez-Buylla）一直在努力确定青蛙使用哪些基因和蛋白质进行这种运输。为此，阿尔瓦雷斯-布伊利亚和她的同事们使用了一种她称之为“钓鱼线”的小分子来捕捉与青蛙摄入的毒素——风铃毒素（pumiliotoxin）——结合的蛋白质。钓鱼线的 L 端形状像风铃毒素，而另一端则带有荧光染料。当一个通常与风铃毒素结合的蛋白质反而与相似的钓鱼线结合时，荧光染料就可以让研究人员识别出该蛋白质。
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阿尔瓦雷斯-布伊利亚期望她的钓鱼线能捕捉到类似于 Saxiphilin 的蛋白质（该蛋白质被认为在青蛙体内运输毒素方面起作用），或其他运输维生素的蛋白质。（维生素和毒素一样，通常是从食物中获取，然后被运输到全身。）相反，她和她的同事们 发现了一种新的蛋白质，与一种运输激素皮质醇的人类蛋白质相似。研究发现，这种新的转运蛋白可以结合多种不同物种箭毒蛙中存在的有毒生物碱。斯坦福大学阿尔瓦雷斯-布伊利亚的博士导师、该论文的合著者劳伦·奥康奈尔（Lauren O’Connell）说，这种相似性表明青蛙可能借鉴了激素转运系统来转运毒素（该论文尚未正式同行评审）。
奥康奈尔说，这也许可以解释为什么青蛙不会被毒素毒死。激素通常只有在酶裂解其载体，将激素释放到血液中时才会变得活跃。同样，这种新的蛋白质可能结合风铃毒素和其他毒素，防止它们接触到青蛙神经系统中可能造成伤害的部位。只有当毒素到达青蛙皮肤的正确位置时，携带毒素的蛋白质才会将它们释放到皮肤腺体中，在那里它们可以被安全地储存。
在未来的工作中，科学家们旨在了解这种新蛋白质究竟如何能够结合多种不同类型的毒素。奥康奈尔说，像 Saxiphilin 这样的其他已知毒素结合蛋白，通常只与一种毒素紧密结合。“这种蛋白质的特别之处在于，它在结合对象方面有点‘滥交’，但同时也有一定的选择性，”奥康奈尔说。“它是如何做到的？”
变毒
虽然箭毒蛙明确地从食物中获取毒素，但其他有毒两栖动物的毒素来源并不总是确定的。例如，像蟾蜍这样的两栖动物，似乎可能自己合成毒素。
为了证明这一点，丹佛大学的进化生物学家 TJ·菲尔内诺（TJ Firneno）和他的同事们通过挤压 10 种蟾蜍的毒腺（菲尔内诺说：“就像挤痘痘一样”，对蟾蜍无害），然后 观察 48 小时后哪些基因在这些腺体中最为活跃。菲尔内诺说，他们的假设是，在腺体清空后特别活跃的基因可能参与毒素的合成。
菲尔内诺和他的同事们识别出了几种被激活的基因，这些基因已知是合成与植物和昆虫相关毒素的分子代谢途径的一部分。菲尔内诺说，他们识别出的基因可以为科学家们进一步研究蟾蜍如何合成毒素指明方向。
其他两栖动物可能依靠共生细菌来获取毒素。在美国，Taricha 属的蝾螈是该国毒性最强的动物之一。虽然它们看起来无害，但这些古老生物的某些种群的个体蝾螈体内含有足以杀死许多人的河豚毒素。许多科学家认为蝾螈自己合成这种毒素。但当一个研究小组从蝾螈皮肤上收集细菌，然后培养单个微生物菌株时，他们发现 蝾螈皮肤上有四种产生河豚毒素的细菌。这与其他含有河豚毒素的物种相似，例如螃蟹和海胆，科学家们普遍认为细菌是这些物种毒素的来源。
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这些蝾螈毒素的来源具有更广泛的意义，因为它们——以及以它们为食的袜带蛇——被认为是协同进化经典例子的代表。一些科学家认为，蛇能吃剧毒的蝾螈证明了它们与蝾螈协同进化，获得了抵抗力，以便能够继续捕食它们。与此同时，人们认为蝾螈一直在进化出越来越强的毒性，以试图将蛇拒之门外。科学家们称这种不断升级的竞争为“进化军备竞赛”。
然而，加州大学戴维斯分校的生态学家和进化生物学家加里·布恰雷利（Gary Bucciarelli）说，要让蝾螈参与这种军备竞赛，它们必须能够遗传控制毒素的产生量，这样自然选择才能发挥作用。布恰雷利是 2022 年《动物科学年鉴》（Annual Review of Animal Biosciences）对“军备竞赛”假说进行重新评估的合著者之一。他说，如果河豚毒素实际上来自蝾螈皮肤上的细菌，那么就很难看到蝾螈如何能提高毒性。布恰雷利说，蝾螈或许可以胁迫细菌分泌更多的河豚毒素，但他认为“没有证据表明这种情况发生”。“这肯定不是蝾螈和袜带蛇之间这种紧密联系的对抗关系。”
事实上，在布恰雷利工作的加州野外考察点，他从未真正见过袜带蛇吃蝾螈。“如果你阅读文献，你会认为那里有蛇在溪流或池塘边疯狂地捕食蝾螈。但你根本看不到，”他说。相反，他说，蛇对河豚毒素的抵抗力可能源于其他原因，甚至可能是进化上的巧合。
尽管如此，蝾螈毒素的来源远未确定。曾提出蝾螈与袜带蛇之间“军备竞赛”假说的科学家之一，生物学家埃德蒙德·布罗迪三世（Edmund Brodie III）说：“仅仅因为你的皮肤上有某种细菌，并不意味着它就是蝾螈的毒素来源。”布罗迪指出，其他研究人员发现，蝾螈体内含有一些分子，从其结构上看，可能属于蝾螈自身合成河豚毒素的生物途径的一部分。然而，布罗迪说，关于“在蝾螈身上发现的细菌可以产生河豚毒素”的研究，“这是我们目前拥有的最好的证据。”
布罗迪的直觉是，无论如何，蝾螈都能控制其河豚毒素的产生，无论是自己合成河豚毒素，还是以某种方式操纵其细菌。他认为，细菌作为蝾螈-蛇战争中的第三个参与者，只会使这个系统更加有趣。
确定蝾螈是否能自行合成河豚毒素的一个主要障碍是，尚未发布Taricha 蝾螈的 完整基因组。“它们拥有我们所知的任何动物中最大的基因组之一，”布罗迪说。
研究有毒动物如何适应和使用毒素，就像许多基础科学研究一样，对于那些渴望了解我们周围世界的研究人员来说，具有内在的吸引力。塔尔文说，但随着气候变化和栖息地破坏导致生物多样性持续丧失，而两栖动物 受到的打击尤为严重，我们正在失去那些不仅作为独特生物具有内在重要性，而且也是潜在的救命和改善生活的药物来源的物种。
例如，箭毒蛙碱、河豚毒素及其相关化合物，在以极小的、可控的剂量给药时，已被研究作为潜在的非阿片类止痛药。
塔尔文说：“我们正在失去这些化学物质。”“你可以称之为濒危的化学多样性。”
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
